Vďaka biočipu sme v súčasnosti schopní analyzovať biochemické reakcie v ľudskom tele. O jeho vývoji a využití v medicíne sme sa rozprávali s Jaroslavom Katrlíkom z Chemického ústavu SAV, v. v. i.
Čo je a čo nie je biočip?
Biočip je malý kúsok upraveného substrátu, typicky skla, a na jeho povrchu sa odohráva množstvo biochemických reakcií súčasne. Ide teda o miniaturizované zariadenie umožňujúce rýchle simultánne meranie biologicky, resp. medicínsky dôležitých parametrov.
Niečo iné sú implantované čipy, ktoré môžu slúžiť na identifikáciu jedinca, prípadne umožňujú podobné činnosti ako bezkontaktná kreditka alebo elektronický kľúč. Tu ide vlastne o mikročipy.
Aký je teda rozdiel medzi biočipom a mikročipom?
Ide o úplne rozdielne technológie, tak v ich konštrukcii, ako aj v účele ich použitia, ktoré majú spoločné asi len to, že dokážu niesť im vlastný typ informácií s vysokou hustotou. Klasický mikročip je v podstate veľmi malý kúsok kremíka s elektronickými obvodmi. Napríklad mikročipy s NFC technológiou (near field communication, komunikácia krátkeho dosahu) alebo všeobecnejšie s RFID technológiou (identifikácia na rádiovej frekvencii) slúžia na identifikáciu a informácie o objekte, v ktorom sú umiestnené, čo môže byť kreditná karta, elektronický kľúč alebo je ním napríklad náš pes.
Mikročipy sa v zdravotníctve používajú napríklad pri označovaní a spracovaní vzoriek. Za mikročip tiež môžeme považovať kapsulu pre virtuálnu kolonoskopiu, ktorá obsahuje kameru a po prehltnutí umožňuje zmapovanie tráviaceho systému. Mikročipy môžu byť užitočné tiež pri kontinuálnom monitorovaní rôznych telesných funkcií a parametrov, pričom nemusí ísť priamo o implantované zariadenia.
Biočipy, ktorým sa venujeme aj my, sú určené na meranie vzoriek, pričom tieto vzorky sa merajú po ich odobratí pacientovi (najbežnejšie krv, ale napríklad aj moč, pot alebo sliny) a ich meranie prebieha v laboratóriu už v neprítomnosti pacienta. Biočip môžeme považovať vlastne za minilaboratórium, pomocou ktorého vieme rýchlo a presne zmerať veľký počet vzoriek a použije sa pri tom len veľmi malé množstvo chemikálií.
Na čo vedcom primárne slúži?
Biočipy sa používajú zväčša v súvislosti s výskumom a sledovaním biomarkerov rôznych ochorení alebo rôznych fyziologických zmien, teda s dosahom na medicínu.
Aké sú jeho výhody?
Biočip umožňuje tzv. vysokovýkonnú analýzu (high-throughput analysis) vzájomných interakcií veľkého súboru molekúl – simultánne sledovanie stoviek, tisícov aj viac interakcií, čiže je ním možné merať veľký počet biologických vzoriek súčasne. Potrebné sú len veľmi malé množstvá reagencií (činidiel) a vzorky, takže sa znižujú náklady na analýzu. Meranie je rýchle a biočipy majú širokú použiteľnosť. Dajú sa nimi merať nukleové kyseliny, aptaméry, proteíny, bunky, tkanivá atď., všetko samozrejme v závislosti od ich dizajnu a prípravy.
Ako biočip vyzerá?
Biočip má zväčša veľkosť mikroskopického sklíčka (25 × 76 mm), na ktorom sú nanesené desiatky, stovky, tisíce, ba aj viac rôznych látok (reagencií alebo vzoriek) vo forme škvŕn zoradených do polí. Nazýva sa aj microarray, čo by sa teda dalo preložiť ako mikropole. Priemer jednej škvrny je rádovo v mikrometroch.
Ako sa vyrába?
Povrch základného substrátu biočipu je upravený tak, aby umožňoval jednoduché a stabilné naviazanie molekúl, ktoré sa na jeho povrch nanášajú. Tieto molekuly môžu byť reagencie alebo vzorky a nanášajú sa špeciálnym mikrorobotickým zariadením pracujúcim s veľkou presnosťou. Samotné nanášanie sa vykonáva zväčša pomocou piezoelektrického dávkovača.
Ing. Jaroslav Katrlík, PhD., je vedeckým pracovníkom Chemického ústavu Slovenskej akadémie vied, v. v. i., kde vedie laboratórium biočipov a optických biosenzorov. Stál pri zakladaní a vedení startupových spoločností orientovaných na nanotechnológie a biotechnológie v Taliansku a na Slovensku. Jeho hlavnou výskumnou oblasťou je vývoj bioanalytických metód založených na biočipoch a biosenzoroch pri aplikáciách v glykomike, biológii, biotechnológii, medicíne, vo výskume biomarkerov a v diagnostike. Ako riešiteľ alebo spoluriešiteľ sa angažuje v mnohých domácich, bilaterálnych a medzinárodných projektoch.
Objem nanášaných látok vo forme kvapôčok je veľmi malý, menej ako nanoliter, pričom množstvo látky v jednej kvapôčke vytvárajúcej jednu škvrnu je rádovo v pikomóloch (10-12 molu). Pre lepšiu predstavu, aké je to malé množstvo – z jednej kvapky krvi je možné spraviť stotisíc takýchto kvapôčok. Vzorky sa na povrch biočipu nanášajú s veľkou hustotou, povedzme stovky až tisíce vzoriek na štvorcový centimeter. Na jeden biočip môžeme preto naniesť tisíce vzoriek, ba aj viac.
Čo všetko naň môžeme naniesť?
V závislosti od toho, na čo má biočip slúžiť, naň môžeme naniesť reagencie, ako sú molekuly nukleových kyselín (DNA, RNA), protilátky, antigény, lektíny alebo glykány. Dajú sa naň naniesť aj priamo vzorky, ako napríklad sérum, bunky alebo tkanivá.
Ako sa ním meria?
Biočip funguje v podstate ako akýsi bioanalyzátor. Pokúsim sa na príklade zjednodušene vysvetliť, ako sa ním meria. Na povrch biočipového substrátu nanesieme spomínaným mikrorobotickým zariadením veľký počet vzoriek, napríklad séra pacientov s kolorektálnym karcinómom a taktiež kontrolné séra od zdravých jedincov. Vzorky sa vďaka úprave povrchu biočipu naň pevne naviažu.
Nasleduje druhý krok, ktorým je reakcia vzoriek s detekčnými činidlami. Na biočip nasadíme príslušnú masku podľa toho, ako je experiment nadizajnovaný, a do jednotlivých okienok masky pridáme malé množstvá rôznych detekčných činidiel. Biočip necháme s týmito činidlami nejaký čas, napríklad hodinu, reagovať, a potom ho dôkladne opláchneme. Jednotlivé činidlá reagujú s rôznymi molekulami vo vzorke, v našom prípade s určitými glykánmi. Pokiaľ sa tieto glykány vo vzorke nachádzajú, činidlo sa na ne uchytí a počas omývania ostane na biočipe.
No a v poslednom kroku sa robí detekcia signálu. Keďže činidlá sú značené fluorescenčnými značkami, biočip sa oskenuje v microarray skeneri a tam, kde činidlo ostalo zachytené na vzorke, detegujeme signál. Po počítačovom spracovaní dostaneme obrázok oskenovaného biočipu a hodnoty signálov pre jednotlivé škvrny na biočipe.
Ďalej sa výsledky merania štatisticky spracovávajú a interpretujú s cieľom nájsť rozdiely medzi pacientmi a kontrolnou skupinou, resp. v prípade diagnostiky sa priamo určuje prítomnosť a množstvo daného biomarkera.
Na čo sa používajú biočipy v medicíne?
Využívajú sa v mnohých oblastiach, no najmä vo výskume a diagnostike chorôb a pri vývoji liečiv. Existujú rôzne typy biočipov líšiacich sa podľa toho, aký druh molekúl nimi analyzujeme. Napríklad DNA biočipy slúžia na molekulárnu diagnostiku, testovanie nových liečiv alebo na genetický výskum. Využívajú sa pri profilovaní génovej expresie, kde sa môže sledovať vplyv ochorenia, liečby alebo vývojového štádia na génovú expresiu, a to jej porovnaním v dvoch rôznych (napr. infikovaných a neinfikovaných) bunkách alebo tkanivách. Používajú sa aj na detekciu jednonukleotidového polymorfizmu (single nucleotide polymorhphisms, SNP), pričom sa identifikuje SNP medzi alelami v rámci populácií alebo medzi nimi. Taktiež slúžia na genotypizáciu, pri forenznej analýze, na určenie predispozície na určité ochorenia, na identifikáciu kandidátov na určitú liečbu atď.
Silnou konkurenciou microarray biočipov je technika NGS (next-generation sequencing) a jej varianty. Obe techniky majú určité výhody a nevýhody, preto sa pri veľkých projektoch často používajú v tandeme. Proteínové a glykánové biočipy sa používajú pri hľadaní biomarkerov a ich detekcii, v medicínskom a biologickom výskume (hľadanie nových proteínových komplexov, signálnych dráh či proteínových interakčných sietí), pri výskume a vývoji nových liečiv, ale aj pri detekcii patogénov. Biočipmi je taktiež možné diagnostikovať alergény a tiež pomáhajú pri určovaní potravinovej intolerancie. Používajú sa napríklad pri monitorovaní škodlivých látok v životnom prostredí alebo pri detekcii biologických otravných látok. Ich využitie je vskutku široké.
Za rozhovor ďakuje redakcia Quarku
